Состояния термодинамической системы и их характеристики

Термодинамической системой (ТС) называется совокупность макроскопических тел, рассматриваемых методами термодинамики, т.е. с точки зрения обмена энергией между собой и внешней средой.

Примером может служить жидкость и находящийся в соприкосновении с ней пар или газ. В частности, система может состоять из одного твердого, жидкого или газообразного тела.

Термодинамическая система может находиться в различных состояниях, отличающихся температурой, давлением, объемом, плотностью и т.д. Подобные величины, характеризующие состояние системы, называются параметрами состояния.

Параметры состояния не всегда имеют определенные значения для любой области системы. Например, у тела, подогреваемого с одной стороны и охлаждаемого с другой, температура в разных точках будет различной и телу, как целому, нельзя приписать определенное значение температуры.

Состояние, в котором хотя бы один из параметров не имеет определенного значения при неизменных внешних воздействиях, называется неравновесным.

Состояние термодинамической системы будет равновесным, если все параметры состояния имеют равные значения для любых областей системы, не изменяющиеся с течением времени, т.е. сохраняющиеся бесконечно долго при неизменных внешних воздействиях.

Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой веществом, называются закрытыми. Термодинамические системы, которые не могут обмениваться с внешней средой ни энергией, ни веществом, называются изолированными. Среди них выделяют замкнутые системы, для которых не возможет обмен энергией с внешней средой путем совершения работы и адиабатные системы, для которых невозможен теплообмен.

Если систему, находящуюся в неравновесном состоянии, изолировать от внешней среды, т.е. предоставить самой себе, то она перейдет в равновесное состояние. Такой переход называется процессом релаксации или просто релаксацией. Время, за которое первоначальное отклонение какой-либо величины от равновесного значения уменьшается в е (e = 2,718) раз, называется временем релаксации. Для каждого параметра состояния время релаксации свое. Наибольшее из этих времен является временем релаксации системы.

Термодинамическим процессом называется переход системы из одного состояния в другое. Такой переход всегда связан с нарушением равновесия системы. Например, чтобы уменьшить объем газа, заключенного в сосуд, необходимо вдвинуть поршень. При этом газ будет сжиматься и в первую очередь повысится давление газа вблизи поршня - равновесие будет нарушено. Нарушение равновесия будет тем значительнее, чем быстрее перемещается поршень. Если двигать поршень очень медленно, то равновесие нарушается незначительно и давление в разных точках мало отличается от равновесного значения, отвечающего данному объему газа. В пределе, при бесконечно медленном сжатии давление газа будет иметь в каждый момент времени определенное значение. Следовательно, состояние газа в этом случае все время будет равновесным и бесконечно медленный процесс окажется состоящим из последовательности равновесных состояний.